RAM 是如何工作的？

什么是計算機內存？

隨機存取存儲器，通常稱(chēng)為 RAM，是一個(gè)臨時(shí)存儲位置，可以在其中以任何順序檢索或重寫(xiě)數據，以支持計算機和移動(dòng)應用程序的實(shí)時(shí)工作。

如果沒(méi)有快速存儲和檢索數據的能力，任何應用程序或其他功能都無(wú)法正常運行。這就是 RAM 發(fā)揮作用的地方。RAM 或隨機存取存儲器是計算機系統的重要組成部分之一。它是一個(gè)短期存儲庫，其中存放必須快速檢索的數據。

RAM 保持數據隨時(shí)可用，以便中央處理器單元 (CPU) 可以找到它，而無(wú)需訪(fǎng)問(wèn)長(cháng)期存儲來(lái)執行緊急處理任務(wù)。

RAM 包含在所有計算設備中，包括臺式電腦（在 Windows、MacOS 和 Linux 上運行）、平板電腦和智能手機（在 Android 或 iOS 上運行），甚至物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設備（如智能電視）。

RAM 也用于指代設備的短期記憶。它讀取程序或操作系統在不久的將來(lái)可能需要的數據，并臨時(shí)存儲這些數據，以便 CPU、顯卡和任何其他可能需要它的組件輕松訪(fǎng)問(wèn)。此信息在 RAM 中保持可用，直到應用程序或設備關(guān)閉或重新啟動(dòng)。然后清理 RAM 并準備好接受新的、適當的數據。

每當您打開(kāi)新的瀏覽器選項卡時(shí)，RAM 都會(huì )阻止其他組件訪(fǎng)問(wèn)速度較慢的存儲設備，例如硬盤(pán)驅動(dòng)器或固態(tài)驅動(dòng)器 (SSD)。雖然當前的存儲速度比舊驅動(dòng)器快，但它仍然比 RAM 慢得多。然而，這些存儲組件是必需的，因為它們允許在 RAM 未處于完全功能狀態(tài)時(shí)進(jìn)行更長(cháng)期的數據存儲。

為什么 RAM 被稱(chēng)為隨機存??？

RAM 被稱(chēng)為隨機訪(fǎng)問(wèn)，因為如果識別出在該單元重疊的行和列，則可以直接訪(fǎng)問(wèn)任何存儲單元。

另一方面，串行存取存儲器 (SAM) 將數據存儲為一系列存儲塊，只能連續檢索（如盒式磁帶）。如果信息不在當前位置，則檢查每個(gè)塊，直到找到所需的數據。SAM 非常適用于數據通常按使用順序存儲的存儲庫。相反，RAM 數據可以按任何順序檢索。

多少 RAM 是理想的？

構建 Pentium CPU 上的硬件時(shí)，用戶(hù)很少需要超過(guò) 8 MB 的 RAM，如果系統用于業(yè)務(wù)，則需要 32 MB。這足以運行 Windows 95、最早的 Microsoft Word 版本和早期的 PC 游戲。目前，打開(kāi)多個(gè)選項卡的 Web 瀏覽器可能很容易占用 2.2 GB 的 RAM，因此 PC RAM 的最低要求為 4 GB，移動(dòng)設備的最低要求為 3 GB。

所需的 RAM 量取決于您的應用程序和用戶(hù)同時(shí)打開(kāi)的窗口數量以及所需的用戶(hù)體驗。系統擁有的 RAM 越多，運行速度就越快。當設備過(guò)時(shí)時(shí)，可能需要更換 RAM 或其他組件。所有活動(dòng)的應用程序，包括瀏覽器選項卡，都使用 RAM。

當計算機的工作需求超過(guò)可用 RAM 的數量時(shí)，操作系統必須將程序轉移到硬盤(pán)驅動(dòng)器。當您返回程序時(shí)，它必須在您繼續工作之前檢索數據。這稱(chēng)為分頁(yè)或轉移，這需要一些時(shí)間。該過(guò)程導致延遲和功能受損。

購買(mǎi) PC 的客戶(hù)將有多種 RAM 容量選擇—4GB、8GB、16GB，如果他們使用高級編輯工具或圖形應用程序（如 CAD），甚至可以選擇額外的內存（32GB、64GB）。

請記住，RAM 與存儲不同：計算機關(guān)閉時(shí)，RAM 中存儲的信息會(huì )丟失，而長(cháng)期存儲設備（SSD 或 HDD）中的數據會(huì )保留。

內存的使用

RAM 執行以下關(guān)鍵功能：

1. 充當臨時(shí)存儲位置

這是 RAM 的主要用途。當用戶(hù)保存文件或任何其他數據類(lèi)型時(shí)，信息會(huì )傳輸到硬盤(pán)驅動(dòng)器或其他形式的長(cháng)期存儲中。此外，當您退出應用程序時(shí)，操作系統會(huì )將其從 RAM 中刪除，釋放計算機短期內存中的空間，以便您可以開(kāi)始下一個(gè)任務(wù)。

RAM 僅用于臨時(shí)存儲。因此，如果用戶(hù)沒(méi)有將文件保存到硬盤(pán)驅動(dòng)器并且斷電，他們的所有工作都可能丟失。但是，現代應用程序可能有一種機制可以將文件的副本存儲在嵌入式備份系統中，以幫助以后恢復它。

2. 可以更快地讀取文件

RAM 用于快速檢索讀取任何文件內容所需的數據。根據技術(shù)和工作的不同，隨機存取存儲器處理數據的速度可能比存儲在硬盤(pán)上的數據快 20 到 100 倍。

如果用戶(hù)打開(kāi)以前存儲在系統上的文檔，操作系統會(huì )在其長(cháng)期存儲中識別該文件并將其內容復制到 RAM 中。一旦數據存儲在 RAM 中，由于 RAM 閃電般的速度，用戶(hù)幾乎可以立即進(jìn)行讀寫(xiě)。

但是，由于數據是分布式的，因此嘗試直接從硬盤(pán)驅動(dòng)器訪(fǎng)問(wèn)文件會(huì )花費大量時(shí)間。要讀取文件，計算機的硬盤(pán)驅動(dòng)器每分鐘必須旋轉數百次，從而造成延遲。

為了加快速度，計算機系統將文件的副本存儲在 RAM 中以供讀取。

3. 提高應用性能

RAM 還用于加快以前訪(fǎng)問(wèn)過(guò)的應用程序的加載。當用戶(hù)第一次打開(kāi)他們的計算機并運行任何程序時(shí)，如 PowerPoint 或數據庫管理系統 (DBMS) 軟件，如 Access，加載需要一些時(shí)間。但是，當程序關(guān)閉并重新啟動(dòng)時(shí)，它幾乎會(huì )立即打開(kāi)，因為加載應用程序所需的數據存儲在 RAM 中而不是硬盤(pán)驅動(dòng)器中。

應用程序數據保留在 RAM 中，直到 PC 重新啟動(dòng)或應用程序從任務(wù)管理器（或其非 Windows 等效項）強制關(guān)閉。對于移動(dòng) RAM，它甚至可以在后臺動(dòng)態(tài)刷新應用程序數據以提升設備性能。

RAM 是如何工作的？

讓我們首先了解隨機存取存儲器的物理結構和功能。RAM 在概念上類(lèi)似于一系列盒子，每個(gè)盒子可以存儲一個(gè) 0 或一個(gè) 1。每個(gè)盒子都有一個(gè)特定的地址，可以通過(guò)跨列和向下計數來(lái)確定。

RAM 盒子的集合稱(chēng)為數組，每個(gè)盒子稱(chēng)為單元格。RAM 控制器將列和行地址向下傳輸到芯片中的一根小電線(xiàn)中，以定位特定的單元格。在 RAM 陣列中，每一行和每一列都分配有不同的地址線(xiàn)。任何檢索到的數據都在不同的數據行上返回。

RAM 物理上緊湊并存儲在微芯片上，這一點(diǎn)至關(guān)重要。它可以存儲的信息量也有限?；镜墓P記本電腦可能有 8 GB 的 RAM，而硬盤(pán)驅動(dòng)器可能包含 10 TB。

RAM 的工作取決于以下關(guān)鍵功能：

1. 內存主板

所有 RAM 硬件組件都焊接在該電路板上。它由基于硅的集成電路組成，可提供跨內存組件的連接以及與計算機的接口，以便 CPU 和內存控制器可以訪(fǎng)問(wèn) RAM。

2. 實(shí)際數據存儲的內存庫

這部分包含存儲數據的實(shí)際內存模塊或單元。RAM 總是由兩個(gè)或多個(gè)存儲體組成，使一個(gè)存儲體可以在另一個(gè)存儲體充電時(shí)訪(fǎng)問(wèn)。這減少了銀行預充電的延遲，從而加快了傳輸速度。它還降低了每個(gè)存儲體的粒度，從而以更低的成本提高了內存容量和性能。

3. 計時(shí)

RAM 中的內存操作與時(shí)鐘信號同步。這簡(jiǎn)化了控制器接口并消除了模擬信號生成的需要。它還降低了內存組件的制造成本，因為可以以相同的成本生成更快的內存。

4. 模式寄存器組件

該寄存器配置核心器件操作。它調節列地址選通 (CAS) 延遲、突發(fā)持續時(shí)間和突發(fā)類(lèi)型。它通常在機器啟動(dòng)時(shí)配置。高級用戶(hù)通常需要 4,000MHz RAM 和 CAS 15-18 或更低的延遲才能獲得最佳性能。

5.SDP 芯片

SPD 是「串行存在檢測」的縮寫(xiě)。RAM 配備內置 SPD 芯片，可存儲有關(guān)內存大小、類(lèi)型、頻率和訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間線(xiàn)的信息。該芯片使計算機能夠在啟動(dòng)階段的開(kāi)機測試周期中獲取此信息。

6. RAM 的突發(fā)計數器

突發(fā)計數器是存儲列地址信息的片上計數器。它通過(guò)采用順序和交錯的突發(fā)類(lèi)型以及不同的突發(fā)持續時(shí)間來(lái)提供高頻突發(fā)訪(fǎng)問(wèn)。模式寄存器允許對這些設置進(jìn)行編程。

大多數 PC 允許用戶(hù)安裝特定容量的 RAM 單元。具有更多 RAM 的計算機減少了 CPU 必須從硬盤(pán)驅動(dòng)器讀取數據的次數，這是一個(gè)比從 RAM 讀取數據更慢的過(guò)程。RAM 訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間以納秒為單位，而存儲器訪(fǎng)問(wèn)持續時(shí)間以毫秒為單位。

RAM 與閃存

閃存和 RAM 均由固態(tài)半導體組成。然而，由于它們的構造、性能標準和價(jià)格的差異，它們在計算機系統中的職責也不同。閃存用于存儲。RAM 用作活動(dòng)存儲器，它處理從存儲器獲得的數據。

RAM 與閃存之間的一個(gè)根本區別在于，信息必須從后者的完整塊中擦除。這使它比 RAM 慢，其中可能會(huì )刪除單個(gè)位。

然而，與 RAM 相比，閃存要便宜得多且具有非易失性。與 RAM 不同，它即使在電源關(guān)閉時(shí)也可以保存數據。由于其降低速度、非易失性和成本降低，閃存通常用于長(cháng)期存儲。

計算機內存的類(lèi)型

隨機存取存儲器可以是以下類(lèi)型：

1. 靜態(tài)隨機存取存儲器（SRAM）

對于每個(gè)存儲單元，靜態(tài)隨機存取存儲器需要許多晶體管，通常為四到六個(gè)。然而，每個(gè)電池不包含電容器。它通常用于緩存。如果電源可用，SRAM 會(huì )將數據保存在內存中，這與必須經(jīng)常更新的動(dòng)態(tài) RAM DRAM 形成對比。因此，SRAM 速度更快但成本更高，使 DRAM 成為計算機中更常見(jiàn)的內存類(lèi)型。

2. 動(dòng)態(tài)隨機存取存儲器（DRAM）

DRAM 通常用作計算機中的主內存。每個(gè) DRAM 存儲單元的電容器中都保留一個(gè)數據字節，由集成電路中的晶體管和電容器組成。由于晶體管不斷泄漏少量，電容器將逐漸耗盡，導致其中包含的數據丟失。為了維護數據，DRAM 必須每隔幾毫秒更新一次。

3. 擴展數據輸出隨機存取存儲器（EDO RAM）

EDO RAM 是為提高 1990 年代使用的 RAM 芯片的效率而開(kāi)發(fā)的 DRAM 的早期示例。它不會(huì )等到對第一位的分析完成后再繼續下一位。在確定第一位的位置后，EDO DRAM 開(kāi)始搜索下一塊。

4. 同步 DRAM（SDRAM）

這種形式的 RAM 使內存速率與中央處理器 (CPU) 的時(shí)鐘速度同步。因此，內存控制器知道數據包可用的精確時(shí)鐘周期。這使得 CPU 每單位時(shí)間可以執行更多的指令。SDRAM 通常以高達 133 MHz 的速度傳輸數據，比 DRAM 快得多。

5. Rambus 動(dòng)態(tài)隨機存取存儲器（RDRAM）

Rambus DRAM 及其后代 Concurrent Rambus DRAM 和 Direct Rambus DRAM 是 1990 年代和 2000 年代初期創(chuàng )建的一種同步動(dòng)態(tài)隨機存取存儲器。這種 RAM 芯片并行運行，使數據傳輸速度在 800 MHz 和 1,600 Mbps 之間變化。然而，由于它們以如此高的速度工作，它們會(huì )散發(fā)出更多的熱量。

6. 單數據速率同步動(dòng)態(tài)隨機存取存儲器（SDR SDRAM）

這種 RAM 最初使用的是單數據速率技術(shù)，這就是為什么這種 RAM 被稱(chēng)為 SDR 的原因。隨著(zhù) SDRAM 在 1990 年代的首次亮相，時(shí)鐘速率首次同步。通過(guò)將計算機內存與處理器輸入同步，機器可以更快地完成任務(wù)。然而，到 20 世紀 90 年代后期，SDR RAM 已經(jīng)達到了極限，讓位給了下一代 RAM。

7. 雙倍數據速率同步動(dòng)態(tài)隨機存取存儲器（DDR SDRAM）

雙倍數據速率同步隨機存取存儲器 (DDR SRAM) 于 2000 年左右發(fā)明。它在開(kāi)始和結束時(shí)在單個(gè)時(shí)鐘周期內執行兩次數據傳輸。DDR SDRAM 已被重新設計三到四次，從 DDR2 到 DDR3 再到 DDR4，并且在每次迭代中，數據傳輸速率都提高了，功耗也降低了。然而，事實(shí)證明，DDR 的每一次迭代都與之前的其他迭代不兼容，PC 制造商不得不跟上步伐。DDR 仍然是當今計算機中使用最廣泛的 RAM。

8. 圖形雙倍數據速率同步動(dòng)態(tài)隨機存取存儲器（GDDR SDRAM）

GDDR SDRAM 用于視頻和圖形設備。與 DDR SDRAM 相同，此架構允許在 CPU 時(shí)鐘周期內在多個(gè)位置傳輸數據。但是，與 DDR SDRAM 相比，它的運行功率更高，時(shí)序要求也沒(méi)有那么嚴格。

GDDR 可以實(shí)現計算機輔助設計 (CAD) 或 3D 建模等圖形密集型任務(wù)的 GPU 性能所需的速度、內存和帶寬級別。與 DDR 相比，GDDR 經(jīng)歷了多個(gè)發(fā)展階段，每次迭代都會(huì )帶來(lái)性能提升和功耗降低。圖形內存的最新迭代是 GDDR6。

9. 視頻隨機存取存儲器（VRAM）

VideoRAM 僅供視頻適配器和 3D 加速器使用。它通常有兩個(gè)獨立的訪(fǎng)問(wèn)端口而不是一個(gè)（多端口），使 CPU 和圖形處理器能夠同時(shí)訪(fǎng)問(wèn) RAM。計算機顯示器的分辨率和顏色深度由顯存 (VRAM) 的數量決定。此外，VRAM 用于存儲特定于圖形的數據，例如 3D 幾何數據或紋理貼圖。

真正的多端口 VRAM 通常很昂貴，這就是為什么許多圖形卡采用同步圖形 RAM (SGRAM) 的原因。性能具有可比性；但是，SGRAM 更便宜。